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什么是精密制造技術(shù)
一、技術(shù)概述
精密制造技術(shù)是指零件毛坯成形后余量小或無余量、零件毛坯加工后精度達亞微米級的生產(chǎn)技術(shù)總稱。它是近凈成形與近無缺陷成形技術(shù)、超精密加工技術(shù)與超高速加工技術(shù)的綜合集成。
近凈成形與近無缺陷成形技術(shù)改造了傳統(tǒng)的毛坯成形技術(shù)，使機械產(chǎn)品毛坯成形實現(xiàn)由粗放到精化的轉(zhuǎn)變，使外部質(zhì)量作到無余量或接近無余量，內(nèi)部質(zhì)量作到無缺陷或接近無缺陷，實現(xiàn)優(yōu)質(zhì)、高效、輕量化、低成本的成形。該項技術(shù)涉及到鑄造成形、塑性成形、精確連接、熱處理改性、表面改性、高精度模具等專業(yè)領(lǐng)域。
超精密加工技術(shù)是指被加工零件的尺寸精度高于0．1µm，表面粗糙度Ra小于0．025µm，以及所用機床定位精度的分辨率和重復性高于0．01µm的加工技術(shù)，亦稱之為亞微米級加工技術(shù)，且正在向納米級加工技術(shù)發(fā)展。
超精密加工技術(shù)主要包括：超精密加工的機理，超精密加工的設(shè)備制造技術(shù)，超精密加工工具及刃磨技術(shù)，超精密測量技術(shù)和誤差補償技術(shù)，超精密加工工作環(huán)境條件。
超高速加工技術(shù)是指采用超硬材料的刀具，通過極大地提高切削速度和進給速度來提高材料切除率、加工精度和加工質(zhì)量的現(xiàn)代加工技術(shù)。
超高速加工的切削速度范圍因不同的工件材料、不同的切削方式而異。目前，一般認為，超高速切削各種材料的切速范圍為：鋁合金已超過1600m/min，鑄鐵為1500m/min，超耐熱鎳合金達300m/min，鈦合金達150～1000m/min，纖維增強塑料為2000～9000m/min。各種切削工藝的切削速度范圍為：車削700～7000m/min，銑削300～6000m/min，鉆削200～1100m/min，磨削250m/s以上等等。
超高速加工技術(shù)主要包括：超高速切削與磨削機理，超高速主軸單元制造技術(shù)，超高速進給單元制造技術(shù)，超高速加工用刀具與磨具制造技術(shù)，超高速加工在線自動檢測與控制技術(shù)等。
二、現(xiàn)狀及國內(nèi)外發(fā)展趨勢
1．技術(shù)發(fā)展趨勢
近凈成形與近無缺陷成形技術(shù)在下世紀初有以下發(fā)展趨勢：
（1）近凈成形技術(shù)生產(chǎn)的成形件精度會進一步提高，可以做出形狀更加復雜的成形件，更加接近于凈成形。
（2）近凈成形技術(shù)會不斷有新發(fā)展，一方面原來的工藝方法會得到不斷改進提高，另一方面綜合利用各種成形手段會出現(xiàn)新的復合成形新工藝。
（3）隨著新材料的出現(xiàn)，不少材料用傳統(tǒng)加工方法很難加工，從而推動了新材料近凈成形技術(shù)的發(fā)展。
（4）計算機的發(fā)展、非線性問題計算方法的發(fā)展，推動了非線性有限元等技術(shù)發(fā)展，使數(shù)值模擬技術(shù)由學校、研究單位走向工廠，將廣泛用于成形工藝分析，并且將由宏觀模擬進一步向微觀的組織模擬和質(zhì)量預測方向發(fā)展。
（5）解決自動化大批量生產(chǎn)與用戶對產(chǎn)品個性化要求的矛盾，生產(chǎn)過程的柔性化將會得到發(fā)展。
（6）由于高效、節(jié)能、節(jié)材帶來的材料和資源的節(jié)約和有效利用、成形技術(shù)和裝備的進步、無污染工藝材料的采用，使成形技術(shù)由污染大戶轉(zhuǎn)變?yōu)榍鍧嵣a(chǎn)技術(shù)。
超精密加工技術(shù)的發(fā)展趨勢是：向更高精度、更高效率方向發(fā)展；向大型化、微型化方向發(fā)展；向加工檢測一體化方向發(fā)展；機床向多功能模塊化方向發(fā)展；不斷探討適合于超精密加工的新原理、新方法、新材料。21世紀初十年將是超精密加工技術(shù)達到納米加工技術(shù)的關(guān)鍵十年。
在超高速加工技術(shù)中，刀具材料已從碳素鋼和合金工具鋼，經(jīng)歷高速鋼、硬質(zhì)合金鋼、陶瓷材料，發(fā)展到人造金剛石及聚晶金剛石（PCD）、立方氮化硼及聚晶立方氮化硼（CBN）；切削速度亦隨著刀具材料創(chuàng)新而從以前的12m/min提高到1200m/min以上。因此有人認為，隨著新刀具（磨具）材料的不斷發(fā)展，每隔十年切削速度要提高一倍，亞音速乃至超聲速加工的出現(xiàn)不會太遙遠了。
2．國內(nèi)外現(xiàn)狀
工業(yè)發(fā)達國家的近凈成形技術(shù)在近20多年來有很大發(fā)展，已經(jīng)成為機械制造業(yè)主要的制造技術(shù)，在鑄造、鍛壓、焊接、熱處理和表面改性方面都已占據(jù)了總產(chǎn)量的主要地位。在我國近凈成形技術(shù)在整個成形生產(chǎn)中比重還比較低，成形件精度總體平均要比國外低1～2個等級，一些先進的近凈成形技術(shù)在我國只有少數(shù)企業(yè)采用，一些復雜難成形件我國還不能生產(chǎn)，部分先進成形設(shè)備、機械手和機器人、很大一部分高水平自動化生產(chǎn)線建線技術(shù)，我國還不能全部立足國內(nèi)，因而總體水平上要比先進國家落后15～25年。每一個專業(yè)方向上，國外近20年來都出現(xiàn)了一批新技術(shù)，有一些我們還沒有掌握，有一些雖然做了試驗研究，還沒有用于生產(chǎn)。
過去人們往往側(cè)重于單項技術(shù)的發(fā)展和應用研究，今天市場競爭激烈，人們?yōu)榱烁酶?jīng)濟成形零部件，越來越多地注意到多項先進技術(shù)的綜合運用，可以獲得更好的效果。例如利用材料超塑特性進行焊接在航空件成形中的應用，利用低合金成份的非調(diào)質(zhì)鋼通過控鍛控冷可以取代調(diào)質(zhì)熱處理，把鑄造和鍛壓結(jié)合起來的半固態(tài)成形，粉未燒結(jié)的坯料再經(jīng)過鍛造獲更好性能近凈形零件，都是國外發(fā)展較快應用效果好的技術(shù)。我國專家把成形輥鍛和精鍛相結(jié)合，用于汽車前梁生產(chǎn)比國外通用技術(shù)建設(shè)生產(chǎn)線，一條線就可節(jié)約上億投資。
傳統(tǒng)的成形技術(shù)是建立在經(jīng)驗和實驗數(shù)據(jù)基礎(chǔ)上的技術(shù)，制定一個新零件成形工藝在生產(chǎn)時還要進行大量修改調(diào)試。計算機和計算技術(shù)發(fā)展，特別是非線性有限元的發(fā)展，使得難度很大的成形過程有可能進行模擬分析和數(shù)值計算。發(fā)達國家在這方面已經(jīng)開展了大量研究工作，并形成一些商業(yè)軟件用于成形工藝分析。我國在這方面已經(jīng)進行了大量研究，一些單位也研制了一些軟件，但由于投入不足，形成商業(yè)軟件的很少。
近凈成形與近無缺陷成形技術(shù)通常用于大批量生產(chǎn)，要求企業(yè)建設(shè)不同技術(shù)水平的生產(chǎn)線，需要有相應的機械手和機器人。由于工作的條件、環(huán)境比較惡劣，對這些機器人的需要數(shù)量相對較少、品種較多，所以需要由本專業(yè)人員參與研制。當今，人們對產(chǎn)品需求逐步提出了一些個性化要求，所以在建設(shè)自動生產(chǎn)線時，提出了建設(shè)柔性生產(chǎn)線的要求，國外在近凈成形生產(chǎn)方面已經(jīng)出現(xiàn)了少量柔性生產(chǎn)線，我國必須注意這一動向，應該根據(jù)用戶需求和投資強度，建設(shè)不同自動化程度和滿足柔性化需求的生產(chǎn)線。
國外企業(yè)為了保證產(chǎn)品質(zhì)量，一方面加強質(zhì)量管理，做好生產(chǎn)全過程的質(zhì)量控制，另一方面通過生產(chǎn)過程中的自動化和智能控制，以保證近凈成形生產(chǎn)質(zhì)量穩(wěn)定，能作到無缺陷或近無缺陷。
在超高速加工技術(shù)方面，1976年美國的Vought公司研制了一臺超高速銑床，最高轉(zhuǎn)速達到了20000rpm。特別引人注目的是，聯(lián)邦德國Darmstadt工業(yè)大學生產(chǎn)工程與機床研究所從1978年開始系統(tǒng)地進行超高速切削機理研究，對各種金屬和非金屬材料進行高速切削試驗，聯(lián)邦德國組織了幾十家企業(yè)并提供了2000多萬馬克支持該項研究工作。自80年代中后期以來，商品化的超高速切削機床不斷出現(xiàn)，超高速機床從單一的超高速銑床發(fā)展成為超高速車銑床、鉆銑床乃至各種高速加工中心等。瑞士、英國、日本也相繼推出自己的超高速機床。日本日立精機的HG400III型加工中心主軸最高轉(zhuǎn)速達36000～40000r/min，工作臺快速移動速度為36～40m/min。采用直線電機的美國Ingersoll公司的HVM800型高速加工中心進給移動速度為60m/min。近年來，我國在高速超高速加工的各關(guān)鍵領(lǐng)域，如大功率高速主軸單元、高加減速直線進給電機、陶瓷滾動軸承等方面也進行了較多的研究，但總體水平同國外尚有較大差距。
在超精密加工技術(shù)方面，美國是開展研究最早的國家，也是迄今處于世界領(lǐng)先地位的國家。早在50年代末，由于航天等尖端技術(shù)發(fā)展的需要，美國首先發(fā)展了金剛石刀具的超精密切削技術(shù)，并發(fā)展了相應的空氣軸承主軸的超精密機床，用于加工激光核聚變反射鏡、戰(zhàn)術(shù)導彈及載人飛船用球面非球面大型零件。如美國LLL實驗室和Y－12工廠在美國能源部支持下，于1983年7月研制成功大型超精密金剛石車床DTM－3型，該機床可加工最大零件Φ2100mm、重量4500kg的激光核聚變用的各種金屬反射鏡、紅外裝置用零件、大型天體望遠鏡（包括X光天體望遠鏡）等。該機床的加工精度可達到形狀誤差為28nm（半徑），圓度和平面度為12．5nm，加工表面粗糙度為Ra4．2nm。該機床及該實驗室1984年研制的LODTM大型超精密車床一起仍是現(xiàn)在世界上公認的技術(shù)水平最高、精度最高的大型金剛石超精密車床。
日本對超精密加工技術(shù)的研究相對于美、英來說起步較晚，但是當今世界上超精密加工技術(shù)發(fā)展最快的國家。日本的研究重點不同于美國，前者是以民品應用為主要對象，后者則是以發(fā)展國防尖端技術(shù)為主要目標。所以日本在用于聲、光、圖象、辦公設(shè)備中的小型、超小型電子和光學零件的超精密加工技術(shù)方面，是更加先進和具有優(yōu)勢的，甚至超過了美國。
我國的超精密加工技術(shù)在70年代末期有了長足進步，80年代中期出現(xiàn)了具有世界水平的超精密機床和部件。北京機床研究所是國內(nèi)進行超精密加工技術(shù)研究的主要單位之一，研制出了多種不同類型的超精密機床、部件和相關(guān)的高精度測試儀器等，如精度達0．025µm的精密軸承、JCS－027超精密車床、JCS－031超精密銑床、JCS－035超精密車床、超精密車床數(shù)控系統(tǒng)、復印機感光鼓加工機床、紅外大功率激光反射鏡、超精密振動－位移測微儀等，達到了國內(nèi)領(lǐng)先、國際先進水平。航空航天工業(yè)部三零三所在超精密主軸、花崗巖坐標測量機等方面進行了深入研究及產(chǎn)品生產(chǎn)。哈爾濱工業(yè)大學在金剛石超精密切削、金剛石刀具晶體定向和刃磨、金剛石微粉砂輪電解在線修整技術(shù)等方面進行了卓有成效的研究。清華大學在集成電路超精密加工設(shè)備、磁盤加工及檢測設(shè)備、微位移工作臺、超精密砂帶磨削和研拋、金剛石微粉砂輪超精密磨削、非圓截面超精密切削等方面進行了深入研究，并有相應產(chǎn)品問世。此外中科院長春光學精密機械研究所、華中理工大學、沈陽第一機床廠、成都工具研究所、國防科技大學等都進行了這一領(lǐng)域的研究，成績顯著。但總的來說，我國在超精密加工的效率、精度、可靠性，特別是規(guī)格（大尺寸）和技術(shù)配套性方面與國外比，與生產(chǎn)實際要求比，還有相當大的差距。
3．國內(nèi)研究基礎(chǔ)
在行業(yè)需要的關(guān)鍵技術(shù)方面我國已經(jīng)開展了較多單項研究，其中一部分已經(jīng)實現(xiàn)產(chǎn)業(yè)化，但總的說難度高的復雜技術(shù)還未能掌握。
三、“十五”目標及主要研究內(nèi)容
1．目標
（1）通過科技攻關(guān)，使近凈成形與近無缺陷成形技術(shù)主要方面趕上或接近國際先進水平，并結(jié)合我國情況在部分技術(shù)上有發(fā)展創(chuàng)新；關(guān)鍵技術(shù)應做到成熟化、成套化、產(chǎn)業(yè)化，可以向企業(yè)提供成套技術(shù)，滿足企業(yè)技改和生產(chǎn)發(fā)展需要。
（2）超高速加工基本實現(xiàn)工業(yè)應用，主軸最高轉(zhuǎn)速達15000r/min，進給速度達40～60m/min，砂輪磨削速度達100～150m/s；超精密加工基本實現(xiàn)亞微米級加工。
2．主要研究內(nèi)容
（1）近凈成形技術(shù)研究
①近凈成形新技術(shù)及其產(chǎn)業(yè)化技術(shù)
含近凈成形無缺陷鑄造技術(shù)、精確塑性成形技術(shù)、優(yōu)質(zhì)高效精確連接技術(shù)、精確熱處理改性技術(shù)、優(yōu)質(zhì)高效表面改性及涂層技術(shù)、復雜高精度模具技術(shù)以及上述各項技術(shù)的綜合運用。應針對行業(yè)在下世紀重點需要的、復蓋面廣的技術(shù)開展研究，提供新工藝、新方法、積累、完善相關(guān)數(shù)據(jù)，并達到實用化。
②近凈成形工藝模擬分析和優(yōu)化技術(shù)
研究解決成形工藝模擬的關(guān)鍵技術(shù)，使三維軟件程序完善化、成熟化、商品化。并且宏觀分析向微觀分析發(fā)展。
③成形生產(chǎn)線用機械手和機器人
研究成形生產(chǎn)線所需典型機械手和機器人，使之達到系列化、成熟化，滿足企業(yè)技術(shù)改造的需要。
④近凈成形生產(chǎn)自動線和柔性生產(chǎn)線建線技術(shù)
以工藝為核心，研究掌握近凈成形與近無缺陷成形自動生產(chǎn)線建設(shè)技術(shù)，側(cè)重研究掌握生產(chǎn)線控制和在線檢測，達到根據(jù)企業(yè)生產(chǎn)綱領(lǐng)和實際資金，建設(shè)不同自動化、機械化程度生產(chǎn)線，也要根據(jù)發(fā)展需要，建設(shè)部分柔性生產(chǎn)線。
⑤制造過程的質(zhì)量控制技術(shù)
發(fā)展在線智能控制技術(shù)，發(fā)展無損檢測技術(shù)和統(tǒng)計過程控制技術(shù)，達到對近凈成形的全過程質(zhì)量控制，從而保證最終產(chǎn)品質(zhì)量和精度。
⑥近凈成形技術(shù)的虛擬制造和網(wǎng)絡制造技術(shù)
針對本行業(yè)中小企業(yè)多的特點，以協(xié)會、學會、生產(chǎn)力促進中心為核心，吸收成果所屬單位和同行企業(yè)參加，建立虛擬制造和網(wǎng)絡制造系統(tǒng)，解決企業(yè)對信息、技術(shù)的需求，企業(yè)可以通過網(wǎng)絡接受訂貨，進行技術(shù)咨詢，從而有利于提高企業(yè)整體水平。
（2）超高速加工技術(shù)研究
①超高速切削、磨削機理。對超高速切削和磨削加工過程、各種切削磨削現(xiàn)象、各種被加工材料和各種刀具磨具材料的超高速切削磨削性能以及超高速切削磨削的工藝參數(shù)優(yōu)化等進行系統(tǒng)研究。
②超高速主軸單元制造技術(shù)。主軸材料、結(jié)構(gòu)、軸承的研究與開發(fā)；主軸系統(tǒng)動態(tài)特性及熱態(tài)性研究；柔性主軸及其軸承的彈性支承技術(shù)研究；主軸系統(tǒng)的潤滑與冷卻技術(shù)研究；主軸的多目標優(yōu)化設(shè)計技術(shù)、虛擬設(shè)計技術(shù)研究；主軸換刀技術(shù)研究。
③超高速進給單元制造技術(shù)。高速位置芯片環(huán)的研制；精密交流伺服系統(tǒng)及電機的研究；系統(tǒng)慣量與伺服電機參數(shù)匹配關(guān)系的研究；機械傳動鏈靜、動剛度研究；加減速控制技術(shù)研究；精密滾珠絲杠副及大導程絲杠副的研制等。
④超高速加工用刀具磨具及材料。研究開發(fā)各種超高速加工（包括難加工材料）用刀具磨具材料及制備技術(shù)，使刀具的切削速度達到國外工業(yè)發(fā)達國家90年代末的水平，磨具的磨削速度達到150m/s以上。
⑤超高速加工測試技術(shù)。對超高速加工機床主軸單元、進給單元系統(tǒng)和機床支承及輔助單元系統(tǒng)等功能部件和驅(qū)動控制系統(tǒng)的監(jiān)控技術(shù)，對超高速加工用刀具磨具的磨損和破損、磨具的修整等狀態(tài)以及超高速加工過程中工件加工精度、加工表面質(zhì)量等在線監(jiān)控技術(shù)進行研究。
（3）超精密加工技術(shù)研究
①超精密加工的加工機理。“進化加工”及“超越性加工”機理研究；微觀表面完整性研究；在超精密范疇內(nèi)的對各種材料（包括被加工材料和刀具磨具材料）的加工過程、現(xiàn)象、性能以及工藝參數(shù)進行提示性研究。
②超精密加工設(shè)備制造技術(shù)。納米級超精密車床工程化研究；超精密磨床研究；關(guān)鍵基礎(chǔ)件，如軸系、導軌副、數(shù)控伺服系統(tǒng)、微位移裝置等研究；超精密機床總成制造技術(shù)研究。
③超精密加工刀具、磨具及刃磨技術(shù)。金剛石刀具及刃磨技術(shù)、金剛石微粉砂輪及其修整技術(shù)研究。
④精密測量技術(shù)及誤差補償技術(shù)。納米級基準與傳遞系統(tǒng)建立；納米級測量儀器研究；空間誤差補償技術(shù)研究；測量集成技術(shù)研究。
⑤超精密加工工作環(huán)境條件。超精密測量、控溫系統(tǒng)、消振技術(shù)研究；超精密凈化設(shè)備，新型特種排屑裝置及相關(guān)技術(shù)的研究。
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